Từ năm 1951-1957, ông được Nhà nước cử sang Trung Quốc học tập. Tại đây ông đã theo học chuyên ban (2 năm), học Trung văn (1 năm) và học ngành Thuỷ lợi - Thuỷ điện trong 4 năm ở Đại học Vũ Hán, Trung Quốc.
Đến giữa năm 1957, ông tốt nghiệp loại ưu. Sau đó, ông được Nhà nước chọn, cử lãnh đạo một đoàn gồm 3 nhà khoa học trẻ của Việt Nam: Nguyễn Đình Tứ, Dương Trọng Bái và Nguyễn Hữu Công sang công tác tại Viện Liên hiệp nghiên cứu hạt nhân Dubna (Liên Xô cũ) làm thực tập sinh ở một chuyên ngành gần với chuyên ngành Đại học của ông.
Tại đây, ông là cộng tác viên, người lãnh đạo tập thể khoa học quốc tế thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng cao (LVE) và là một trong những tác giả chính của hơn 50 công trình nghiên cứu khoa học trong thập niên 1960.
Năm 1961, khi vừa tròn 30 tuổi, Nguyễn Đình Tứ đã thay mặt nhóm phát minh, báo cáo kết quả phát minh tại diễn đàn Hội nghị khoa học quốc tế ở Tây Âu.
Về nước (năm ?), ông đã dành nhiều tâm lực cho việc hình thành ngành Năng lượng nguyên tử của đất nước và là người đặt nền móng cho ngành năng lượng nguyên tử[1]. Sau 5 năm, từ một phòng nghiên cứu thuộc Uỷ ban khoa học và kỹ thuật Nhà nước do ông lãnh đạo, tháng 4/1976, Viện nghiên cứu hạt nhân Viện Năng lượng Nguyên tử Quốc gia trực thuộc Uỷ ban khoa học và kỹ thuật Nhà nước được thành lập do ông làm Viện trưởng trong thời gian dài (1976 - 1993)[2].
Tại phiên họp trù bị Đại hội VIII, ngày 27 tháng 6 năm 1996, ông được bầu làm Ủy viên Bộ Chính trị. Ngày 28 tháng 6, Đại hội khai mạc; 20 giờ tối hôm 28, ông qua đời đột ngột sau một tai biến bất thường. Ngày 30 tháng 6, ông vẫn được Đại hội chính thức bầu vào Bộ Chính trị. Sau đó người ta mới báo tang và làm các thủ tục tang lễ.
Năm 2000 ông được truy tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh về Khoa học và công nghệ cho Cụm công trình: "Nghiên cứu tương tác của các hạt cơ bản và hạt nhân ở năng lượng cao và phát hiện phản hạt hyperon sigma âm".
